来自水的氢9 9

加利福尼亚的氢电站,以 新的日本消费者汽车便携式氢燃料电池 对于电子产品而言,氢气作为零排放燃料来源现在终于成为普通消费者的现实。 当在氧气存在下与氧气结合 催化剂氢释放能量并与氧结合形成水。

两个主要困难 阻止我们拥有所有我们拥有的氢气 存储 和生产。 目前,氢能生产是耗能和昂贵的。 通常情况下,工业生产氢气需要高温,大型设备和大量的能源。 事实上,它通常来自天然气等化石燃料,因此实际上并不是零排放的燃料来源。 使这一过程更便宜,高效和可持续,将使氢气成为更常用的燃料。

一个优秀和丰富的氢源是水。 但是在化学上,这需要扭转与其他化学品结合时氢释放能量的反应。 这意味着我们必须把能量放入一个化合物中,以便将氢气排出。 最大限度地提高这个过程的效率将是一个清洁能源未来的重大进展。

一种方法是将水与有用的化学物质(催化剂)混合,以减少破坏氢原子和氧原子之间连接所需的能量。 有几个有前景的催化剂产氢,其中包括 硫化钼,石墨烯和硫酸镉。 我的研究重点是修改钼硫化物的分子性质,使反应更有效,更有效。

制氢

氢是 宇宙中最丰富的元素,但很少能以纯氢形式获得。相反,它与其他元素结合形成大量化学物质和化合物,例如甲醇等有机溶剂和人体内的蛋白质。其纯净形式H2可用作可运输的高效燃料。


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这里有 几种生产氢的方法 可以用作燃料。 电解使用电力将水分解成氢气和氧气。 蒸汽甲烷重整 从甲烷(四个与碳原子结合的氢原子)开始并加热,从碳中分离出氢。 这种能源密集型的方法通常是工业生产用于生产氨或精炼石油等物质的氢。

我正在关注的方法是 光催化水分解。 在催化剂的帮助下,将水分解成氢和氧所需的能量可以由另一种丰富的资源提供。 当暴露在光下时,水和催化剂的适当混合物产生氧气和氢气。 这对工业非常有吸引力,因为它使我们可以用水作为氢的来源而不是肮脏的化石燃料。

了解催化剂

正如不是每两个人在同一个电梯里开始对话,一些化学相互作用就不会因为引入这两种材料而发生。 水分子可以通过添加能量分解成氢和氧,但是所需的能量会比反应的结果更多。

有时需要第三方才能把事情做好。 在化学中,这就是所谓的催化剂。 从化学上讲,催化剂降低了两种化合物反应所需的能量。 一些催化剂仅在暴露于光下时才起作用。 这些化合物,如二氧化钛, 称为光催化剂.

在混合光催化剂的情况下,分解水所需的能量显着下降,从而在工艺结束时节省能量。 我们可以通过添加另一种物质来实现更高效的分解,这种作用称为助催化剂。 氢生成中的助催化剂改变反应的电子结构,使其更有效地生产氢气。

到目前为止,还没有任何以这种方式生产氢气的商业化系统。 这部分是因为成本。 我们发现的最好的催化剂和助催化剂在帮助化学反应方面是有效的,但是非常昂贵。 例如,在1972中发现了第一个有希望的组合,二氧化钛和铂。 然而,铂金是非常昂贵的金属远远超过美元每盎司1,000)。 即使铼是另一种有用的催化剂, 成本约为每盎司70。 像这些金属在地壳中是如此罕见,这使得它们 不适合大规模的应用 即使有正在开发的进程 回收这些材料.

寻找新的催化剂

对于良好的催化剂有许多要求,例如能够被再循环和能够承受反应中所涉及的热量和压力。 但同样重要的是材料的普遍性,因为最丰富的催化剂是最便宜的。

最新、最有前途的材料之一是硫化钼 (MoS2)。因为它是由钼和硫元素组成(这两种元素在地球上相对常见),所以它比更传统的催化剂便宜得多, 远低于每盎司1美元。 它还具有正确的电子属性和其他属性。

之前的1990s研究人员发现,硫化钼在将水转化为氢方面并不是特别有效。 但是那是因为研究人员使用了厚厚的矿物,基本上是从地下开采的形式。 然而今天,我们可以使用像 化学气相沉积 or 基于解决方案的流程 制造更薄的二硫化钼晶体? – 甚至可以达到单个分子的厚度 – 从水中提取氢的效率要高得多。

使这个过程更好

通过控制其物理和电性能,硫化钼可以变得更加有效。 被称为“相变”的过程使更多的物质可用于参与产氢反应。

当硫化钼形成晶体时,固体块体外部的原子和分子是 准备接受或捐赠电子水 当被光激发时驱动氢的产生。通常情况下,MoS?结构内部的分子不会给予或接受电子 像边缘站点一样高效,所以对反应无能为力。

但是给 MoS 添加能量呢?经过 用电子轰击它增加周围的压力,导致所谓的“相变“ 发生。 这种相变不是你在基础化学中学到的(涉及一种物质形式的气体,液体或固体),而是在分子排列方面的轻微的结构变化 改变MoS?从半导体到金属.

结果,内部分子的电性质也可用于反应。 这使潜在的催化剂数量相同 600倍更有效 在析氢反应中。

如果这种突破背后的方法得以完善,那么我们就可以向生产更便宜和更高效的氢能迈进了一大步,这反过来又将使我们走向以真正的清洁可再生能源为动力的未来。

关于作者

Peter Byrley博士 化学工程, 加州大学河滨分校

这篇文章最初发表于 谈话。 阅读 原创文章.

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